CN111666649A - 一种评价高炉含铁炉料软熔性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于冶金工程技术领域，具体涉及一种评价高炉含铁炉料软熔性能的方法，主要包含单种矿（烧结矿、球团矿、块矿）以及它们的混合炉料进行评价，该方法对炉料软熔过程中的压降P，气体流量Q，温度T，荷重F，收缩的位移h以及时间t进行量纲分析，得到含铁炉料软熔性能特征数（SM），其公式为：

；对高炉实际生产所用的炉料进行软熔滴落实验，采集实验过程中的数据，计算含铁炉料的SM值，评价其炉料软熔性能的优劣。该特征数综合考虑了炉料软熔过程中的多个因素，可以更好地表征不同炉料的软熔性能，避免了由某个单一因素表征带来的误差，为全面掌握含铁炉料的熔滴性能提供了理论依据。

Description

一种评价高炉含铁炉料软熔性能的方法

技术领域

本发明属于冶金工程技术领域，具体涉及一种评价高炉含铁炉料软熔性能的方法。

背景技术

高炉解剖使人们认识到软熔带的存在，它是指高炉炉料从软化开始到熔融滴落的过程，软熔带的性质与高炉内的煤气分布、热交换、还原过程和透气性能都具有很高的相关性。

研究高炉不同炉料结构的软熔性能对探究最佳高炉炉料结构、降低高炉炼铁生产成本、保证高炉顺行以及打造环境友好型钢企有重要意义。高炉入炉铁矿石自身冶金性能的好坏是影响整个高炉炼铁过程顺行以及产品质量的关键因素。

近年来，学者们对软熔带的性能变化规律进行了深入研究，主要是借助熔滴设备并提出高炉软熔性能的评价指标，主要有：（1）软化开始温度(T₁₀)，熔滴试验过程中试样收缩率达到10%所对应的温度。（2）软化结束温度(T₄₀)，熔滴试验过程中试样收缩率达到40%所对应的温度。（3）软化温度区间（ΔT），软化结束温度与软化开始温度之差。（4）熔融开始温度（T_s），试样压差开始陡升时的温度。（5）滴落温度（T_d），生成的渣铁开始滴落时的温度。（6）熔融温度区间（ΔT_ds），滴落温度与熔融开始温度之差。（7）最大压差（ΔP_max），实验过程中出现的最大压差。（8）滴落压差（ΔP_d），当铁水开始滴落时的料柱压差。（9）收缩率（ΔH），炉料在软熔过程中发生体积收缩的大小。

铁矿石软熔性能的评价指标繁多，采用这些指标分别评价炉料结构的软熔性能不仅使用不便，同时也忽视了其内在联系。目前大多数学者所采用熔滴特征值（S）作为综合评价炉料软熔性能指标，是根据软熔过程中温度和料层压差变化定义的，普遍认为高炉炉料的软熔性能与熔滴特征值存在负相关性。马凯辉、徐建等根据炉料在软熔过程中不同阶段收缩率的变化定义评价软熔性能指数（SR），认为炉料在软熔过程中由于温度、渣相和铁相的变化，炉料收缩程度随之改变，软熔性能指数SR大小也因此改变，软熔性能优劣与SR大小成正相关。朱利、吴铿等提出了荷重熔化参数（RH_FHZ）来表征炉料软熔性能的好坏，RH_FHZ是根据熔滴试验过程中收缩率与温度变化率的乘积定义的，RH_FHZ越小，软熔性能越好，反之亦然。

然而评价炉料软熔性能的指标有很多，前人只是选择他们中的一个或两个指标进行综合评价，同时炉料的软熔性能也与荷重的大小、升温速率以及通入气体的流量有着密切的关系。综上所述，影响高炉炉料软熔性能的因素繁多，各个因素之间的存在复杂的联系，因此需要一种全面性的指数来表征炉料软熔性能，才能更真实地反映出炉料的软熔性能的变化规律。

发明内容

本发明提出一种评价高炉含铁炉料软熔性能的方法，克服现有技术的不足，旨在解决目前铁矿石软熔性能的评价指标繁多，在实际应用中带来诸多不便的问题，同时深入探索各指标间的内在关联，为全面掌握含铁炉料的熔滴性能提供理论依据。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种评价高炉含铁炉料软熔性能的方法，其特征在于，将含铁炉料软熔过程中的数据进行量纲分析，包括压降P，气体流量Q，温度T，荷重F，收缩的位移h和升温速率H，得到含铁炉料软熔性能特征数SM，

——（1）；

式（1）中：P为气体通过料层产生的最大压降，单位：Pa；

Q为气体流量，单位：L/min；

T为软熔区间，单位：℃，公式为

——（2），式（2）中ΔT₁=T₄₀-T₁₀，T₁₀、T₄₀分别为收缩率为10%和40%所对应的温度，ΔT₂ =T_d-T_s——（3），式（3）中T_s、T_d分别为试样压差开始陡升和渣铁开始滴落时的温度；

F为炉料所受苛重，单位：N，公式为：

——（4），式（4）中A为料层的面积，单位：cm²，

——（5），式（5）中R为坩埚半径，单位：cm；

h为炉料的相对收缩位移量，单位cm，公式为：

——（6），式（6）中：ΔH为炉料的最终收缩率；

H为升温速率，单位：℃/min。

本发明技术方案中，由于高炉软熔性能的影响因素有苛重F、压强P，气体流量Q、温度T、收缩位移值h和时间t，他们之间的关系如下：

，

这6个物理量中包含4个单独量纲，分别为[L]、[M]、[T]、[t]，在6个物理量中选择[F]、[T]、[h]、[t]作为代表，它们量纲如下：

，根据量纲式中的指数得到行列式：

，因为行列式不等于零，所以这三个物理量在量纲上是独立的。

从剩余2个物理量中每次取一个物理量，连同这四个物理量组合成一个量纲为1的π。这样可得到两个π，分别为：

，

根据特征数的量纲为1（量纲和谐原理）的特点，确定a_i，b_i，c_i，d_i，由于

，

因此对[M]：1 = a₁；对[L]：-1 = a₁ + b₁；对[t]：-2 = -2a₁ + c₁；对[T]：0 = c₁。把这四个式子联立方程组求解，得a₁ = 1；b₁ = -2；c₁ = 0；d₁ = 0，所以得：

，

同理得a₂ = 0；b₂ = 3；c₂ = 0；d₂ = -1，所以得：

，

（5）特征数的方程式为：

，

可得软熔性能特征数（SM）：

，

整理后得

，

对其进行量纲分析，上下同时乘以温度T得：

。该软熔性能特征数SM公式综合考虑了软化区间、升温速率、荷重、收缩率以及气体流量等因素，可以更好地表征不同炉料的软熔性能。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1）软熔性能特征数SM综合考虑了温度、升温速率、荷重、收缩率以及气体流量等因素，避免了由某个单一因素表征带来的误差，同时解决了目前铁矿石软熔性能的评价指标繁多，在实际应用中带来诸多不便的问题，并深入探索各指标间的内在关联，为全面掌握含铁炉料的熔滴性能提供了理论依据。2）借助常规熔滴检测设备，采集不同炉料软熔实验过程中的压降、气体流量、温度、荷重、收缩率和升温速率等数据，根据软熔过程中的数据，分别计算出各个参数的数值，并进一步计算出含铁炉料的SM值，建立不同炉料结构下的SM数据库，即可根据炉料该值评价软熔性能的优劣。3）该特征数综合考虑了多个软熔性能的评价指标，如：软化温度、熔融温度、荷重大小、升温速率、最大压差和最终收缩率等，更具全面性、准确性。4）炉料的软熔性能特征数与其软熔性能优劣的客观事实存在一定规律，即：炉料SM值越小，软熔性能越好，反之亦然。5）对比传统熔滴特征值S，由于其仅考虑压差与熔融温度区间，导致了某些综合炉料的试验结果与软熔性能优劣相悖或矛盾，特征数SM可以有效避免这些问题。

附图说明

图1为本发明实施例用铁矿石熔滴测定装置示意图；

图2为行业内典型综合炉料软熔滴落实验参数示意图；

图3为三种单种炉料软化性能特征数与熔滴特征值对比示意图；

图4为同块矿比混合炉料软化性能特征数与熔滴特征值对比示意图；

图5为同烧结矿比混合炉料软化性能特征数与熔滴特征值对比示意图；

图6为同球团矿比混合炉料软化性能特征数与熔滴特征值对比示意图。

图中：1-刚玉管、2-升降电机、3-加热棒、4-热电偶、5-位移传感器、6-荷重、7-出气口、8-试样、9-取样口、10-进气口。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明。

实施例

本实验采用的试验原料为高炉实际冶炼生产所用的铁矿石，包括烧结矿S-1，球团矿P-1、块矿O-1。试验所用矿石的具体化学成分如表1所示。

炉料软熔滴落试验检测采用的铁矿石熔滴测定装置，如图1所示，开启升降电机2将装好炉料试样8的石墨坩埚通过刚玉管1放于加热炉内，在炉料上部施加荷重6，然后给加热棒3接入电源，加热棒3不断升温放热，试样8温度不断升高，在温度达到一定值，通过进气口10往刚玉管内通入所需的气体成分，通入的气体与炉料发生反应后由出气口7排出，分别借助热电偶4、位移传感器5、试样8记录炉料软熔过程中温度、收缩率以及压差的变化曲线，实验结束后，待冷却到室温时，实验滴落的试样通过取样口9取出。

实验操作步骤如下：

（1）配矿：称取预处理好的含铁矿石2000 g。试样粒度：烧结矿和块矿粒度为10～12.5mm ；球团矿平均粒度约10 mm左右，焦炭粒度为10～12.5 mm。

（2）装样：在半径

cm石墨坩埚底部放置80 g焦炭压平，然后将配好的铁矿石放入坩埚内压平，最后在含铁矿石层上再铺设60 g焦炭层。启动荷重对试样施加1±0.01kg/cm²压力。

（3）实验：将石墨坩埚放入铁矿石熔滴测定装置内，检查气路密闭性后，开始实验程序；实验过程中的升温制度与气氛控制如表2所示。

（4）结束：当出现铁水滴落现象后，结束实验，通入2 L/min的N₂保护降温至室温。

如图2所示是本实验条件下，按行业内典型软熔滴落实验对综合炉料进行的实验过程，显示的实验结果以及过程中的相关参数。

本次试验对3种单矿和10种混合矿进行试验，方案1、2、3对三种单种矿进行熔滴试验；方案4~13是在确定一种铁矿石配比的条件下，改变另外两种铁矿石的配比。其中方案4、5、6、7是控制块矿O比一定，方案8、9、6、10是控制烧结矿S比一定，方案11、12、6、13控制球团矿P一定。具体试验方案如表3所示。

表1 铁矿石化学成分wt%

表2升温与通气制度

表3 熔滴试验方案

按照上述实验步骤，对以上实验方案分别进行两组软熔滴落实验，取两次炉料软熔过程中的数据（压降P、气体流量Q、温度T、荷重F、收缩的位移h、升温速率H）平均值，得到实验结果如表4所示。

表4 炉料软熔过程的相关指标

根据表4中的软熔过程中的基础数据，计算出软熔性能特征数SM公式中的各个参数，并计算SM值，计算结果如表5所示。

表5 炉料软熔性能参数及其SM值

从本实验案例可以得到如下结论：

对单种矿而言，烧结矿S具有较高的T₁₀、T_s和T_d，但其△P_max为9066 Pa，透气性能较差，；块矿O的T₁₀较低，△T较厚，T_s以及T_d很低，而其△P_max最高为14424 Pa，透气性能最差，软熔性能最差；球团矿P的T₁₀、T₄₀、T_s以及T_d均介于烧结矿与块矿之间，且△T、△T_ds略窄，其△P_max最小，透气性能最好，软熔性能最好。如图3所示，对其SM值与传统熔滴特征值S进行比较，均为块矿O的值最大，烧结矿S次之，球团矿P最小。

在块矿O比为15%条件下，随着球团矿P比从30%下降至0，虽然炉料的其ΔT₂逐渐变小，但ΔT₁由111 ℃增加到123 ℃，ΔP_max变大，透气性变差，炉料的软熔性能依次变差。如图4所示，对其SM值与传统熔滴特征值S进行比较，炉料的SM依次升高，炉料的SM值依次降低，但其S值在球团矿P比为10%时最小，不符合客观事实。

烧结S比为75%一定，随着块矿O比从25%减少到10%，综合炉料的压差降低了5606Pa，料层透气性依次变好，T₁₀、T_s和T_d依次升高，软熔性能逐渐变好。如图5所示，对其SM值与传统熔滴特征值S进行比较，炉料的SM依次降低，但其S值在块矿O比为15%时出现误差，不符合客观事实。

而在球团P比为10%条件下，随着块矿O的比例从25%减少到10%，由于块矿的比例逐渐减少，综合炉料的软熔性能依次变好，如图6所示，虽然综合炉料的SM与S均依次降低，但SM的变化更加明显，同时四组试验所得到的S差别不大，不能明确区分其软熔性能的差异程度。

综上所述，用SM值来表征炉料的软熔性能的变化与客观事实相符，即炉料的软熔性能特征数SM值越小，其软熔性能越好，反之亦然。对比传统熔滴特征值S，SM值的变化趋势与其整体上相同，但由于S值仅考虑压差与熔融温度区间，导致了某些综合炉料的试验结果与软熔性能优劣相悖或矛盾。本发明提出的软熔性能特征数SM综合考虑了软化区间、升温速率、荷重、收缩率以及气体流量等因素，可以更好地表征不同炉料的软熔性能，避免了由某个单一因素表征带来的误差，为全面掌握含铁炉料的熔滴性能提供了理论依据。

最后应说明的是，上述案例只是本发明的一种具有代表性的案例，并非用作限定发明的实施方式。本领域的技术人员应当明白，本发明是可以进行一些改动和变化的。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种评价高炉含铁炉料软熔性能的方法，其特征在于，将含铁炉料软熔过程中的数 据进行量纲分析，包括压降P，气体流量Q，温度T，荷重F，收缩的位移h和升温速率H，得到含 铁炉料软熔性能特征数SM，

——（1）；

式（1）中：P为气体通过料层产生的最大压降，单位：Pa；

Q为气体流量，单位：L/min；

T为软熔区间，单位：℃，公式为

——（2），式（2）中ΔT₁=T₄₀-T₁₀，T₁₀、T₄₀分别 为收缩率为10%和40%所对应的温度，ΔT₂ =T_d-T_s——（3），式（3）中T_s、T_d分别为试样压差开 始陡升和渣铁开始滴落时的温度；

F为炉料所受苛重，单位：N，公式为：

——（4），式（4）中A为料层的面 积，单位：cm²，

——（5），式（5）中R为坩埚半径，单位：cm；

h为炉料的相对收缩位移量，单位cm，公式为：

——（6），式（6）中ΔH为炉 料的最终收缩率；

H为升温速率，单位：℃/min。

2.根据权利要求1所述的一种评价高炉含铁炉料软熔性能的方法，其特征在于，所述含铁炉料软熔性能的实验步骤如下：

（1）配矿：称取预处理好的含铁矿石和焦炭试样，试样粒度：对于烧结矿和块矿粒度为10～12.5 mm ；对于球团矿平均粒度约10 mm，焦炭粒度为10～12.5 mm；

（2）装样：在石墨坩埚底部放置焦炭压平，然后将配好的铁矿石放入坩埚内压平，最后在含铁矿石层上再铺设焦炭层，启动荷重对试样施加1±0.01 kg/cm²的压力；

（3）实验：将石墨坩埚放入铁矿石熔滴测定装置内，检查气路密闭性合格后，开始实验程序；实验过程中的升温制度与气氛控制如表所示；

（4）结束：当出现铁水滴落现象后，通入N₂保护降温至室温，结束实验。

3.根据权利要求1所述的评价高炉炉料软熔性能的方法，其特征在于，所述含铁炉料为高炉炼铁所用的天然块矿、球团矿、烧结矿中的任一种或者任意两种以上组合。

4.根据权利要求2所述的一种评价高炉含铁炉料软熔性能的方法，其特征在于，所述铁矿石熔滴测定装置中包括外壳、升降电机、加热棒和热电偶，外壳顶部连接升降电机，外壳底部设有进气口和取样口，外壳的上部设有荷重，荷重上方连接升降电机，荷重下方的外壳外侧设有加热棒和热电偶，加热棒和热电偶与石墨坩埚放置区域相对应，所述升降电机与位移传感器电连接，所述升降电机为蜗轮蜗杆升降机。

5.根据权利要求4所述的评价高炉炉料软熔性能的方法，其特征在于，所述外壳为刚玉管。

6.根据权利要求4所述的评价高炉炉料软熔性能的方法，其特征在于，所述荷重为3~10公斤的铸铁砝码。

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